基于TMS320DM6437的掌靜脈圖像采集系統設計

苑瑋琦，盧守波

（沈陽工業大學 視覺檢測技術研究所，遼寧 沈陽 110870）

TMS320DM6437是一款32位定點DSP達芬奇（DaVinci（TM））技術的處理器，主要適用于對系統性能要求比較高而又要求價格低廉的客戶[1]。該器件采用TI第2代超長指令字（VLIW）結構（VelociTI.2）的TMS320C64x+DSP內核，主頻可達700 MHz， 支持8個8位或4個16位并行MAC （multiplyaccumulates）運算，峰值處理能力高達5 600 MIPS。

文中設計了一種在非接觸的方式下進行采集手掌圖像，本系統是在470 nm的藍光和850 nm的近紅外光的垂直照射下采集手部圖像，采集到的掌形、掌紋和掌靜脈圖像達到了系統的識別要求，能準確的完成身份的識別。

1 系統總體硬件結構及工作原理

本系統的基本設計思想是采用470 nm的藍光和850 nm的近紅外光主動照射手掌，手掌和光源以非接觸的方式通過CMOS攝像頭采集手掌圖像，CMOS攝像頭把采集的圖像由光信號變成了電信號傳送到DSP進行處理，DM6437把CMOS攝像頭傳過來的手掌圖像進行處理，在DSP中進行模數轉換以及一些必要的處理等，最后將處理結果通過顯示屏顯示出來。

文中基于這個思想從結構上主要可分為:光源模塊、手掌圖像采集模塊、圖像信息處理模塊、數據通信與傳輸模塊、圖像顯示處理模塊5部分構成。系統結構框圖如圖1所示。

CMOS攝像頭把采集到的圖像傳送到視頻解碼芯片TVP5146中，通過視頻解碼芯片把數字信號轉換成模擬信號，DM6437通過I2C總線對TVP5146芯片進行配置，TVP5146芯片在同步信號的控制下，把采集到的手掌圖像數據以YCbCr的格式傳送到視頻處理前端進行處理，YCbCr的比例是4:2:2。視頻處理前端的CCDC控制器會對圖像數據進行預處理，把處理后的圖像數據存放在DDR2里，如果要顯示圖像視頻信號，則可以在行場同步信號下，通過視頻處理后端讀取存儲在DDR2中的視頻數據在經過處理后通過顯示屏進行顯示。

2 TVP5146簡介

TVP5146芯片是一款專門用于圖像和視頻的解碼芯片，可以把模擬視頻信號轉換為數字視頻信號[2]。

圖1 系統結構框圖Fig.1 The system structure diagram

TVP5146有以下特點：它可以把復合視頻信號和PAL制信號解碼成數字信號；它有4路模數轉換通道，能把Y/C信號、CVBS信號、RGB信號與 YCbCr信號等進行模數轉換。模擬信號以2倍的頻率進行采樣或者通過ITU-R BT.601頻率進行采樣，然后經過降低頻率和濾波到像素頻率進行輸出；CVBS信號解碼：通過芯片內部的 5線自適應梳狀濾波器可以把亮度和色度分離出來，這樣可以增強亮度和色度分離的效果，有效的降低了亮度與色度的互相干擾；TVP5146主要功能模塊包括：4路10通道 A/D轉換的模擬前端模塊；可進行同步檢測的時鐘處理模塊；VBI數據處理模塊；復合視頻信號 和Y信號處理模塊；RGB格式信號及 YCbCr格式信號處理模塊；輸出格式模塊；I2C總線模塊；拷貝保護檢測模塊。

3 圖像采集模塊的設計

在本系統中，DM6437的YI[0:7]視頻輸入口與TVP5146輸出接口Y2-Y9連接，通過 I2C總線的方式對解碼器的寄存器進行初始化操作。由于信號輸入端口選擇的是VI_2_B，所以需要將模擬通道寄存器設置為 05H，由于輸出的是 PAL制式，所以需要將視頻標準寄存器設置為 02H。制式選擇寄存器設置成3FH，它表示的是NTSC制式和PAL制式自動選擇。顏色控制寄存器設置成04H，它的作用是NTSC和PAL最優化顏色捕捉。初始化寄存器1設置成43H，它的作用是選擇10位4：2：2的輸出格式。把初始化寄存器2設置成11H，它的作用是YCbCr和時鐘輸出使能。把初始化寄存器4設置成AFH，它的作用是垂直同步信號和水平同步信號輸出使能。DM6437的PCLK時鐘信號由解碼器的DATACLK，作為視頻輸入的時鐘信號，DM6437的行場同步信號都是由視頻解碼器提供。電路連接圖如圖2所示。

圖2 TVP5146與DM6437連接圖Fig.2 TVP5146 and DM6437 connected graph

4 視頻處理子系統（VPSS）

TMS320DM6437的視頻處理部分主要包括視頻處理前端（VPFE）系統和視頻處理后端（VPBE）系統，這兩個部分也被稱為DM6437的視頻子系統VPSS[4]。視頻處理前端的主要功能是接受圖像傳感器或者視頻解碼器傳過來的數字視頻數據，主要有CVBS數據、RGB格式數據、YCbCr格式數據等數據類型，視頻處理前端會把接收到的數據做一些處理。視頻處理后端的主要功能是輸出視頻前端處理器處理后的數字數據，經過視頻處理后端的一些處理后把數字視頻數據傳送到顯示窗口進行顯示等。VPSS功能結構圖如圖3所示。

圖3 VPSS功能結構框圖Fig.3 VPSS function structure diagram

4.1 視頻處理前端（VPFE）

CCDC控制器接受來自CMOS的視頻信號，依次經過數據和采樣模塊、光黑鉗位模塊、黑電平補償模塊、數據格式化和視頻端像素選擇模塊來對視頻信號進行處理，處理后把圖像傳輸到預覽器模塊，在預覽器模塊中主要進行中值濾波、噪聲濾波器、CFA插值、Gamam校正、RGB到YCbCr的轉換，將圖像數據變成YCbCr4：2：2的格式。把處理后的圖像存入緩沖區DDR2中 ，Y存 入 0X82000000，Cb存 入0X8204B000，Cr存 入0X82096000，等待視頻處理后端（VPBE）進行處理。

4.2 視頻處理后端（VPBE）

TMS320DM6437的視頻處理后端主要包括OSD模塊和VENC模塊，它的主要作用是輔助圖像和視頻在顯示屏上進行顯示。OSD模塊的主要作用是把圖像數據和視頻數據轉換成同一個數字視頻的格式。VENC主要包括視頻編碼模塊、數字LCD控制器模塊和時序產生器模塊3部分，視頻編碼模塊主要是完成數字視頻到模擬視頻的轉換；數字LCD控制器模塊主要的作用是控制各種數據輸出時所需要的時鐘信號；時序產生器主要是給編碼模塊和數字控制器模塊提供時鐘信號。

5 實時顯示電路的設計

實時顯示電路主要是依靠DM6437、輸出驅動OPA361、顯示屏來完成的，DM6437把數字信號輸入到OPA361中，OPA361允許經過模數轉換器的直流共模視頻信號輸入，從而驅動顯示器進行顯示。圖4為系統實時顯示電路的框圖。

圖4 顯示電路框圖Fig.4 Shows the circuit diagram

顯示屏主要是用于顯示圖像以及識別結果，在使用前需要對液晶顯示模塊進行初始化的操作，主要包括選擇數據的傳輸接口、顯示器的亮度、顯示窗口大小的設定等。在本設計中，采用的是A/V數據接口，顯示模式為NTSC制式，寬屏顯示，所以我選擇了JSC-70MD這個型號的產品。

6 外部存儲模塊

TMS320DM6437有一個專用的存儲器DDR2接口，DDR2存儲器的主要作用是用來存儲程序和數據以及當做視頻圖像處理過程中的緩沖區，它的內部存儲大小為256 MB。異步存儲器接口主要是用來接口 Flash，主要作用是存儲固化代碼，大小為64 MB。DM6437設備提供了一條32-bit寬的DDR2總線，EVM通過該總線可與16-bit或32-bit的DDR2 SDRAM設備相連，內部存儲空間大小為128 MB，主要的作用是存儲程序和數據[4]。

7 音頻輸出模塊設計

語音模塊主要功能是對用戶進行操作提示和播報識別結果，如果用戶手掌放置錯誤則系統會通過語音模塊進行提示用戶。

7.1 語音芯片的選擇

本設計選用的語音芯片型號為WT588D-U[5]，該模塊的工作電壓為直流電壓2.8伏到5.5伏之間可調，內部存儲的空間大小為32 MB；內部有一個13位的數模轉換器，一個12位的脈沖寬度調制控制音頻輸出方式；PWM可以直接驅動0.5 W的揚聲器；它有DAC/PWM兩種輸出方式；可以加載500段語音；下載方式為USB下載。

7.2 語音模塊連接圖

語音模塊的控制方式主要有一線串口控制、三線串口控制和按鍵控制3種方式。本管腳描述如下：PWM+和PWM-表示的是輸出管腳，兩者組合可以直接驅動外接揚聲器工作；VDD是 數字電源輸入腳；BUSY引腳表示的是語音忙信號；P03是一線數據和地址輸入管腳。本系統控制方式為一線控制模式，電路中使用到的管腳描述如圖5所示。

圖5 語音模塊電路連接圖Fig.5 The voice module circuit connection diagram

M6437通過GPIO45和語音模塊的P03相連，采用一根信號線傳送數據和命令。PWM+與PWM-引腳驅動額定功率為0.5 W的外接揚聲器，沒有使用的引腳接通過10k電阻直接接地，它的作用是保護電路。

7.3 語音模塊控制方式

本系統采用的是一線串口控制模式，一線串口控制方式就是通過一條信號線控制語音輸出，通過不同的電平占空比來表示數據位0和數據位1。語音模塊在傳送數據前，先把數據信號延遲5 ms在進行傳送。在發送數據時，通過發送地址數據就能直接觸發播放語音。未發送的地址或者命令數據用D0到D7表示，地址指令為00H到DBH，音量調節命令的地址為E0H到E7H，循環命令用F2H表示，暫停命令用FEH表示，圖6為控制時序圖。

圖6 語音模塊控制時序圖Fig.6 The voice module control timing diagram

8 紅外感應模塊設計

為了使該裝置能夠實現自動檢測用戶手掌是否到來以便打開采集系統，因此系統采用了紅外感應模塊；當用戶手掌垂直距離鏡頭表面20 cm時，可以使手掌信息完整呈現在圖像傳感器視野范圍內，所以紅外感應模塊的感應距離應該至少為20 cm。本裝置采用的漫反射型紅外感應模塊IR-08H[6-7]，由能發射近紅外光的二極管和接收反射回來光線的二極管組成，當用戶手掌到達檢測位置時會阻礙發射管持續發出的近紅外光線，此時接收管開始接收光線，然后驅動輸出端OUT電平變化，通過調整距離調節旋鈕來控制發射紅外線的長度，以達到要求的檢測距離。

紅外感應模塊與DSP連接圖如圖7所示，將GPIO59引腳作為輸入端口，檢測輸入信號電平變化，實現感應功能：若感應到手掌，系統進入登陸模式；若沒有感應到手掌，系統維持省電模式，即圖像傳感器和液晶顯示模塊不工作。

圖7 紅外感應模塊與DSP連接圖Fig.7 The infrared induction module and the DSP connection diagram

9 結 論

文中設計了一套基于TMS320DM6437的非接觸式手多模態特征采集系統，本套系統具有很強的實用性和可行性，有效的提高了身份識別的準確率，受到了用戶的高度贊揚。

[1]李永建，葛友華，崔治.TMS320DM6437視頻采集系統電路設計[J].機電工程技術，2009，38（12）:59-60.

[2]苑瑋琦，萬文博.掌脈圖像采集系統設計[J].電子技術應用，2010（3）:24-26.

[3]吳微，苑瑋琦，林森，等.掌紋靜脈識別典型波長選擇[J].光學學報，2012，32（12）：12110021-12110027.

[4]孫洪.非接觸式手掌圖像采集與識別系統的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2011.

[5]廣州唯創電子有限公司.WT588D語音芯片使用資料 [EB/0L].2012.http://www.w1999c.com/UploadFiles/20109610 2114349.pdf.

[6]孔德奇.基于多光譜的手掌采集與識別系統[D].沈陽工業大學，2013.

[7]李亞峰，王純.紅外攝像技術及輸變電紅外圖譜數據庫系統的建立[J].陜西電力，2012（1）:60-63，85.